УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ Российский патент 1996 года по МПК E21B10/42 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к вращательному бурению шпуров и может быть использовано в других отраслях промышленности.

Известно и широко используется при вращательном бурении шпуров устройство, в котором крутящий момент М_кр от штанги к резцу передается за счет взаимодействия конусного хвостовика с двумя лысками на резце и конгруэнтного ему гнезда, выполненного на конце штанги [1]
Основным недостатком такого технического решения является малая надежность хвостовика при бурении самоходными буровыми установками. Например, при применении установок БУА-3С с мощностью двигателя вращателя 7,5 кВт и частотой вращения 1100 об/мин в хвостовике резца напряжения кручения достигают 2460 кг/см², что в 2 раза превышает допустимые.

Более совершенным является техническое решение, при котором М_кр от штанги к резцу передается стенками паза, выполненного на конце штанги, граням выступа на теле резца. Кроме паза и выступа в этом соединении используется цилиндрический хвостовик на резце и конгруэнтное ему отверстие в штанге, которые центрируют резец по отношению к штанге и в передаче М_кр участия почти не принимают.

Основным недостатком этого технического решения является малая прочность стенок паза на срез и изгиб. Например, при бурении шпуров диаметром 42-44 мм установками БУА-3С напряжения на срез в наиболее опасном сечении стенок паза достигают 924 кг/см², а напряжения на изгиб 3320 кг/см², что значительно выше допустимых. Это положение усугубляется не очень высокой точностью изготовления паза на штанге, которое выполняется в мастерских шахт. При этом, часто работают не два, а только одна стенка паза.

Кроме того, эти технические решения обладают общим недостатком малым свободным сечением штанг с двухзаходной спиралью, что ухудшает условия для прохода частиц буровой мелочи, а следовательно, снижает скорость бурения и требует большего М_кр для вращения штанги с резцом в процессе бурения.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является выполнение узла для передачи М_кр от штанги, состоящей из трубы с однозаходной спиралью, к резцу через паз на утолщенном конце трубы и выступ на резце [2]
Преимуществом этого технического решения является более высокая пропускная способность штанги почти по всей ее длине и большая прочность стенок паза на срез и изгиб за счет увеличения наружного диаметра трубы и толщины ее стенок в месте выполнения паза.

Однако такое увеличение прочности стенок паза уменьшило площадь сечения для прохода частиц буровой мелочи в месте увеличения наружного диаметра трубы штанги.

Другими недостатками данного технического решения являются значительная трудоемкость изготовления, повышенный расход металла и работа стенок паза на срез и изгиб, допустимые напряжения при которых значительно ниже допустимых напряжений на смятие.

У этого устройства крутящий момент от сверла к штанге передается за счет использования специального хвостовика, имеющего конусную часть, поперечный штырь с выступающими концами, цилиндрическую часть двух диаметров, два отверстия разных диаметров и заклепку для соединения с трубой штанги.

Основными недостатками такого технического решения являются большая материалоемкость и трудоемкость изготовления данного узла устройства.

Цель изобретения увеличение надежности устройства и его пропускной способности для прохода буровой мелочи, а также упрощение конструкции, снижение материалоемкости и трудоемкости его изготовления.

Цель достигается тем, что крутящий момент от штанги к резцу передается выступающим за трубу одинакового диаметра по всей длине штанги концом однозаходной спирали за счет упора ее торцовой грани в стенку уступа, выполненного на теле резца параллельно этой грани, а сама торцовая грань образована в результате разреза спирали плоскостью, проходящей через перпендикуляр к рабочей поверхности спирали в точке пересечения линии окружности, описывающей внешний диаметр штанги, с радиусом этой окружности в месте выхода рабочей поверхности спирали за конец трубы штанги и повернутой вокруг этого перпендикуляра до образования тупого угла с плоскостью, проходящей через этот же перпендикуляр и касательную в упомянутой точке, причем, тупой угол обращен в сторону спирали штанги.

Кроме того, крутящий момент от патрона сверла к штанге передается стенками паза в патроне за счет упора в цилиндрические накладки, приваренные к наружной поверхности трубы штанги, причем длина и диаметр накладок выбираются из условия свободного размещения в пазе патрона сверла, а диаметр отверстия в патроне выполняется равным внешнему диаметру трубы штанги.

При таком выполнении устройства при передаче М_кр от штанги к резцу используется конец однозаходной спирали, работающий на сжатие, что позволяет использовать значительно большие допустимые напряжения в металле, а следовательно, увеличить пропускную способность устройства, повысить надежность, снизить материалоемкость и трудоемкость изготовления данного узла устройства. С другой стороны, конструкция узла для передачи М_кр от патрона сверла к штанге значительно упрощается, а материалоемкость и трудоемкость его изготовления уменьшаются.

Таким образом, новые существенные признаки изобретения следующие.

М_кр от штанги к резцу передается выступающим за трубу одинакового диаметра по всей длине штанги концом однозаходной спирали. Это позволяет существенно увеличить свободное сечение и улучшить условия для прохода частиц буровой мелочи от резца к устью шпура, а следовательно, увеличить скорость бурения или снизить величину М_кр, необходимого для вращения штанги с резцом в процессе бурения.

М_кр от штанги к резцу передается за счет упора торцовой грани спирали в стенку уступа, выполненного на теле резца параллельно этой грани. Это позволяет материалу спирали работать на сжатие, а следовательно, выдерживать высокие напряжения и при малых сечениях передавать М_кр значительной величины.

Торцовая грань на спирали образована в результате разреза ее плоскостью, проходящей через перпендикуляр к рабочей поверхности спирали в точке пересечения линии окружности, описывающей внешний диаметр штанги, с радиусом этой окружности в месте выхода рабочей поверхности спирали за конец трубы штанги и повернутой вокруг этого перпендикуляра до образования тупого угла с плоскостью, проходящей через этот же перпендикуляр и касательную в упомянутой точке, причем, тупой угол обращен в сторону спирали штанги. Это позволяет не ослаблять конец трубы штанги пазом, направить силу реакции от упорной стенки резца вдоль спирали с поворотом от ее внешнего диаметра к центру штанги. При таком выполнении торцовой грани на сжатие работает не только материал спирали, но и сварочные швы, соединяющие конец спирали с трубой штанги. Все это позволяет существенно повысить надежность данного узла штанги.

Для проверки надежности предлагаемого технического решения были проведены испытания экспериментальных образцов данного узла устройства на специальной установке на кафедре сопротивления материалов Новочеркасского политехнического института, которые показали, что предлагаемый узел устройства для бурения шпуров выдерживает М_кр 17-18 кгм, тогда как установка БУА-3С с двигателем вращатель 7,5 кВт имеет номинальный крутящий момент 6,65 кгм.

М_кр от патрона сверла к штанге передается стенками паза в патроне за счет упора в цилиндрические накладки, приваренные к наружной поверхности трубы штанги, причем длина и диаметр накладок выбираются из условия свободного размещения в пазе патрона сверла, а диаметр отверстия в патроне выполняется равным внешнему диаметру трубы штанги. Это позволяет существенно упростить конструкцию данного узла устройства, снизить трудоемкость его изготовления и передавать большие М_кр. Действительно, цилиндрические накладки определенной длины, нарубленные на заготовительном прессе, без какой-либо дальнейшей обработки привариваются к наружной трубе штанги на определенном расстоянии от конца трубы, которая также не подвергается никакой проточке или другой обработке.

На фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1.

Устройство для вращательного бурения шпуров содержит трубу 1 со спиралью 2, приваренной к трубе, резец 3 с цилиндрическим хвостовиком (не показан) и уступом 4, цилиндрические накладки 6, приваренные к трубе штанги, патрон 7 сверла с пазом 8, шплинт 9. Конец спирали 2 в точке с разрезан плоскостью для образования торцовой грани 5, упирающейся в стенку уступа 4 на теле резца. Эта стенка параллельна торцовой грани 5, а сама торцовая грань 5 на спирали 2 расположена под тупым углом по линии cd (фиг.2).

Плоскость, разрезающая спираль для образования торцовой грани 5, проходит через перпендикуляр к рабочей поверхности спирали (которая перемещает буровую мелочь от резца в сторону сверла) в точке с и повернута вокруг этого перпендикуляра до образования тупого угла с плоскостью, проходящей через этот же перпендикуляр и касательную се к линии окружности, описывающей внешний диаметр спирали в точке с. Точка с находится на рабочей поверхности спирали в месте выхода ее за конец трубы на пересечении радиуса oc с линией окружности, описывающей внешний диаметр спирали.

При таком выполнении торцовой грани 5 на конце спирали и стенки уступа 4 на теле резца, сила сопротивления резца вращению Р воздействует на торцовую грань 5 вдоль направления спирали (фиг.1), и в то же время старается прижать спираль к трубе (фиг.2).

Устройство работает следующим образом.

В процессе бурения шпуров М_кр от патрона 7 через стенки паза 8 передается цилиндрическим накладкам 6 и трубе 1. При этом конец трубы 1 штанги свободно входит в цилиндрическое отверстие в патроне 7 сверла, а цилиндрические накладки 6 в паз 8, выполненный в патроне 7. За накладками 6 в трубе штанги 1 приварена спираль на всей оставшейся длине трубы. Конец спирали выступает за конец трубы и упирается своей торцовой гранью 5 в упорную стенку 4, выполненную на теле резца параллельно торцовой грани 5. За счет этого упора передается М_кр от штанги к резцу.

Торцовая грань 5 на спирали выполнена так, что позволяет материалу спирали и ее сварочным швам работать на сжатие, а следовательно, при малых сечениях передавать большие М_кр, что в свою очередь позволяет в максимальной степени увеличить свободное сечение устройства для прохода буровой мелочи.

В настоящее время изготовлены и опробованы экспериментальные образцы предлагаемых устройств. В скором времени будут проведены их испытания в производственных условиях.

Изобретение относится к горной промышленности. Сущность изобретения: устройство для вращательного бурения шпуров состоит из сверла, штанги с однозахватной спиралью и резца, при этом однозаходная спираль выполнена с торцовой гранью, взаимодействующей с опорной площадкой на наружной поверхности резца и образованной путем разреза спирали плоскостью, перпендикулярно рабочей поверхности спирали в месте ее выхода за конец трубы, причем торцовая грань образует тупой угол с наружной поверхностью спирали, а участок штанги, размещенный в патроне сверла, кинематически связан с последним посредством цилиндрических накладок для передачи крутящего момента от патрона к штанге. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ ШПУРОВ, состоящее из сверла, штанги с однозаходной спиралью и резца, отличающееся тем, что однозаходная спираль выполнена с торцевой гранью, взаимодействующей с опорной площадкой на наружной поверхности резца и образованной путем разреза спирали плоскостью, перпендикулярной рабочей поверхности спирали в места ее выхода за конец трубы, причем торцевая грань образует тупой угол с наружной поверхностью спирали. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что участок штанги, размещенный в патроне сверла, кинематически связан с последним посредством цилиндрических накладок для передачи крутящего момента от патрона к штанге.